[TIPE en prepa 1er année] Moteurs Hybrides

[invitee0237217]

Salut a tous


Je fais un TIPE sur les moteurs hybrides, sujet assez vaste, mais je me concentre principalement sur l'optimisation du moteur thermique, car il ne fonctionne que rarement à son rendement maximal qui est deja mauvais ( ~35%).

Je prends les données de la Toyota Prius, seul vehicule hybride qui fait "totalement" de l'hybride, cad qu'il optimise sans cesse le fonctionnement du moteur thermique.

Malgés mon effort pour comprendre, certaines choses m'echappent.

Tout d'abord voici la caracteristique C = f(v) du moteur thermique : http://askwmez.free.fr/f.jpg

Les zones qu'on voit sont les zones de consommation de carburant. On voit que si par exemple, on fait fonctionner le moteur thermique en dessous de 20 Nm, il a une conso de 450 g/KWh.

Ma question :

Le moteur thermique tourne, on est à l'aret, il a un certain regime, fonctionne-t-il avec sa puissance maximal ?

Par exemple, à 40km/h, on a besoin de P = 2754 W, alors qu' à 100 km/h, on a besoin de 15 243 W, ce dernier fonctionnement etant optimal parce qu'on fait fonctionner le moteur thermique presque à son Pmax.

Mais je ne comprends pas comment on peut "reduire" comme ça la puissance d'un moteur thermique : dans les 2 cas, avec un rapport de vitesse different bien sur, le moteur tourne à 1500 tr/min, mais avec un couple different : comment est-ce possible ? La boite de vitesse change seulement de rapport couple/vitesse, si on neglige les frottements, elle conserve la puissance.

Comment se fait cette reduction de puissance ?

Autre chose :

Ce sujet est difficile car il y a très peu de documents et d'articles parlant de ce sujet d'un point de vue technique, j'ai trouvé peu de lien mettant en valeur par des calculs le fonctionnement de l'hybride, avez vous des documents à me proposer ?

Merci pour votre aide
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[invite93cd8550]

rechercher des exo ou TP sur le choix d'un moteur pour un besoin donné.
Rechercher aussi avec une courbe de couple puissance donnée comment on vérigfie que selon le besoin lem oteur est adapté pour ne pas caler quand on change de rapport (la courbe doit être telle que qd V diminue alors P augmente pour fournir plus de couple et ne pas caler)

[Jean.Marc]

Bonjour,
la puissance que délivre le moteur est le produit de la vitesse par le couple moteur. La vitesse est choisie arbitrairement. Le couple moteur, lui, est toujours égal au couple résistant qui est dû à la voiture, à la route, et à la résistance de l'air.
On peut modéliser l'effort résistant de la voiture par F=aV²+bV+c où c représente le frottement sec (mécanique et pneu sur revêtement) plus le poids de la voiture multiplié par le sinus de la pente de la route, b un certain frottement proportionnel à la vitesse (causes variées) et a le frottement aérodynamique.
La voiture absorbe donc une puissance P = F x V.
Ainsi, quand on choisit une certaine vitesse, la voiture absorbe en conséquence une certaine puissance.
La boîte de vitesses permet de choisir entre cinq paires de valeurs de fonctionnement (couple, régime) pour le moteur, mais pour toutes les paires le produit couple x régime sera toujour égal (au rendement près) à la puissance ci-dessus F x V.
On peut reporter ces paires dans la courbe donnée en lien, et il y aura pour chaque paire une consommation spécifique. On pourra alors choisir le rapport de la boîte qui donne la moindre consommation (si cela ne conduit pas à un régime inacceptable pour le moteur).
Jean-Marc

[invitee0237217]

Je comprends ce que vous vouler dire, Jean marc, je crois que votre idée est la bonne, mais je me suis mal exprimé et certaines choses m'echappent.

Je vais formuler mes questions dans l'ordre.

- A la sortie d'un moteur, la puissance delivrée est-elle toujours la meme quel que soit la vitesse et le couple demandée ?

Je pense que la reponse est oui : le moteur tourne à un certain regime, à chaque temps il y a la meme quantité d'essence qui explosent, je ne vois pas comment, à regime donnée, changer la puissance du moteur.

- A basse vitesse, a-t-on besoin de plus de couple ? Je pense aussi que la reponse est oui, par exemple, en 5eme, il n'y a plus de "rapport de vitesse", le rapport est egal à 1, tandis qu'en 1ere il est très grand (ou très petit, si on y voit l'inverse)

-> mais dans tout les cas, si on neglige les frottements des liaisons mecaniques, la puissance delivrée par le moteur est la meme. P=V*(Omega) reste donc le meme.


Mais prenons les 2 cas suivants :

- à 100 km.h-1, on a (comme tu le dis Jean Marc) besoin d'une certaine puissance du aux forces ext. : les frottements.
Les données Toyota donne P = a + bv + cv², avec a,b,c constantes determinées (je les ai mais je les ai pas sur moi)

à 100 km.h-1 : on a besoin de P = 15 243 W pour faire avancer le vehicule à cette vitesse. Donc le moteur fourni cette puissance. Cette puissance sert à faire avancer le vehicule ET à vaincre les frottements. Je rappelle (d'après ce que j'ai compris) que le moteur fourni toujours la meme puissance.

- à 40 km.h-1, en appliquant la formule de P, on obtient bien sur une puissance moins importante à fournir. Celle-ci est egale à 2754 W. Encore une fois Cette puissance sert à faire avancer le vehicule et à vaincre les frottements.

Mais je croyais que le moteur fournissait une puissance constante à regime donné : ici c'est le cas : à 100 km.h-1, on est à 1500 tr/min, et à 40 km/h-1 aussi. De plus, on a besoin de plus de couple, c'est là que la boite de vitesse joue son role.
Le moteur fourni donc P = 15 000 W pour que la voiture avance et contre les frottements alors qu'on a besoin que de 2754 W ?

Ce que je ne comprends pas :

- Comment justement est-ce possible qu'on fournisse une si grande puissance, ou va la puissance non utile ?

- En realité je pense que le moteur ne fourni donc pas cette puissance, en effet à 40 km/h, il est au point (1500 tr/min, 20 Nm) et à 100 km/h, il est à (1500 tr/min, 90 Nm ). D'abord je croyais qu'à basse vitesse on avait besoin de plus de couple. Comment cela s'explique-t-il ?

merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tifoc]

Bonjour,

Le moteur thermique tourne, on est à l'aret, il a un certain regime, fonctionne-t-il avec sa puissance maximal ?

NON ! Il délivre jusque ce qu'il faut pour vaincre les différents frottements dans la transmission

Par exemple, à 40km/h, on a besoin de P = 2754 W, alors qu' à 100 km/h, on a besoin de 15 243 W, ce dernier fonctionnement etant optimal parce qu'on fait fonctionner le moteur thermique presque à son Pmax.

NON ce n'est pas optimal, en tout cas pas au sens de la consommation qui est mini vers 3000 tr/min sur un moteur essence (au rendement max). Il s'agit de la consommation spécifique en g/(kW.h).

Les courbes de puissance et de couple d'un moteur sont les courbes de puissance MAXI et de couple MAXI délivrables par le moteur. Autrement dit, pour un régime donné, ce qu'il peut délivrer en cas de besoin. Le besoin, c'est la "charge" qui dépend principalement de la vitesse du véhicule.

[Jean.Marc]

Bonjour,
beaucoup de gens ont du mal à se figurer la différence entre le paramètre que l'on fixe arbitrairement (le régime moteur par exemple) et celui qu'on subit de par les caractéristiques physiques du système. Ici, on décide de la vitesse du véhicule, mais c'est le véhicule qui décide de l'effort nécessaire. Le produit des deux est la puissance. On ne peut pas imposer la puissance si on fixe la vitesse.
Quand un moteur tourne à 3000 t/min, il peut ne fournir aucune puissance (c'est le cas au point mort) ; ou bien une puissance importante (c'est le cas en cinquième sur autoroute).
La différence vient de ce qu'il y a un papillon sur lequel agit la pédale d'accélérateur. En l'absence de charge, il faut l'appuyer très peu pour atteindre 3000 t/min : le moteur consommera peu d'essence. Sur autoroute, il faut appuyer presque à fond : le moteur consomme beaucoup d'essence. La consommation en g/h (donc le débit) est proportionnelle (grossièrement !) à la puissance fournie.

[Jean.Marc]

(suite)

Venons-en au sujet de cette discussion.
L'intérêt d'un moteur hybride, c'est la possibilité de faire fonctionner le moteur thermique autant que possible dans son meilleur domaine de fonctionnement. Dans la courbe citée ici, c'est à 3000 t/min et à 85% de son couple maxi environ. Le principe du système hybride c'est de charger un accumulateur (électrique, pneumatique, etc.) avec l'énergie que le moteur fournit dans ces conditions. Quand l'accumulateur est plein, idéalement, il faudrait arrêter complètement le moteur thermique, et consommer le contenu de l'accumulateur. Quand celui-ci est déchargé, on remet le moteur thermique en marche, et on recommence le cycle.
Ce schéma est évidemment un voeu pieux, car on ne dispose pas d'un accumulateur ayant les caractéristiques nécessaires : grande capacité, pour que les cycles de marche et d'arrêt soient de l'ordre de l'heure, et non de la minute ; régime de charge élevé (en 1 heure ou moins) ; régime de décharge élevé ; et nombre de cycles durant la vie de la batterie suffisamment élevé pour n'avoir pas à remplacer la batterie trop souvent.

Je travaille sur un projet hybride pour un bateau fluvial, et c'est loin d'être simple au niveau économique.
Jean-Marc

[invitee0237217]

Merci Jean-Marc (et les autres), pour votre aide.

Vous travaillez sur un projet Hybride ? Avez-vous des documents ( de toutes sortes ) à me fournir ?

Je comprends bien ce que vous voulez dire. Mais il y a autre chose que je ne comprends pas.

On va fixer les choses.

1) On veut aller à 100 km/h, à l'aide de F=a+bv+cv², on a la force. Comme P=FV, on la puissance à fournir pour aller à cette vitesse. Cette puissance est egale à 15 000 W à peu près

Question : est-ce la puissance à donner pour MAINTENIR la voiture à cette vitesse (en supposant donc que la voiture roule deja à 100 km/h) ou est-ce la puissance à fournir à l'arret.

Je precise qu'à cette puissance, on est au point (90 Nm, 1500 tr/min), donc le moteur fourni un couple important, et qu'il est quasiment à son meilleur rendement.

2) On veut aller à 40 km/h, toujours avec la meme relation on en deduit la puissanceà fournir qui est de 2500 W environ. On est au point (20 Nm, 1400 Nm). On a un mauvais rendement à cette zone, parce qu'on consomme plus, pourtant on produit moins de puissance.

Question : Qu'est-ce qui se passe donc pour que la voiture consomme plus alors qu'elle roule moins vite ? Certains peut etre (parce que je pensais la meme chose au debut) diront : parce qu'elle a besoin de plus de couple. Mais non, il suffit de voir les points respectifs de la courbe. Les forces d'inerties ? Pourtant le moteur fournit beaucoup plus de puissance à 100 km/h qu'à 40 km/h.

Qu'est-ce qu'il se passe donc ?

Je me dis que le rendement est mauvais à 40 km/h, mais ça ne veut pas dire pour autant qu'il consomme plus, si on compare la conso pendant une meme durée entre une voiture qui roule à 40km/h et 100km/h, la conso à 100km/h est plus importante. Mais cela n'explique pas le mauvais rendement. Est-ce la combustion ?...

Pouvez-vous m'eclairer ? Je pense qu'une partie de la reponse est conceptuelle et a été donné par Jean-Marc

Merci

[Tifoc]

Bonjour,

La consommation caractéristique d'un moteur est la consommation spécifique : elle s'exprime en g/(kW.h). Elle est effectivement plus élevée à 1500 tr/min qu'à 3000 (au fait, il y a une erreur dans vos chiffre : à 90km/h on n'est pas à 1500 tr/min...), mais si vous comparez vos données, vous développez 4 fois moins de puissance à 40km/h qu'à 100 (vos ordres de grandeurs là sont bons). Donc même si la csp est 1.5 fois plus grande (en gros), la consommation kilométrique ou horaire diminue de 2/3 (toujours en gros !).

Me suis-je fait comprendre

[Jean.Marc]

Bonjour
j'ai créé un forum sur le sujet du bateau hybride. Malheureusement il ne draine pas suffisamment de personnes intéressées, et je serai heureux d'y voir un peu d'activité. Le lien est http://sdhaa.free.fr/ForumLimnee/
Il faut que je le mette à jour avec mes dernières informations collectées.
Au plaisir sur le forum.
Jean-Marc

[invitee0237217]

Je reviens sur un point du probleme

Vous me dites "à 100 km/h, on n'est pas à 1500 tr/min" c'est vrai, mais pourquoi le moteur ne choisi pas le point (1500 tr/min, 90 Nm) ?

Regardez plutot cette courbe :

http://askwmez.free.fr/100.JPG

On peut choisir le point optimal, pourquoi choisi-t-on donc vers les 3000 tr/min ?
Est-ce parce qu'on doit fournir une tel valeur de couple ? Comment le justifier ? Existe-t-il une courbe C= f(v) ou v est la vitesse du vehicule ? Est-ce à cause de la boite de vitesse du vehicule qui ne permet pas de prendre une tel valeure, alors qu'avec un moteur hybride c'est possible ?

PS : Jean-marc, je me suis inscrit sur votre forum, mais il semblerait qu'on ne m'a pas activé, je poste donc ici

merci

[Tifoc]

Bonjour,

Est-ce parce qu'on doit fournir une tel valeur de couple ?

Oui

Existe-t-il une courbe C= f(v) ou v est la vitesse du vehicule ?

Oui, et même plusieurs : une pour chaque rapport de boîte.

Est-ce à cause de la boite de vitesse du vehicule qui ne permet pas de prendre une tel valeur

En quelque sorte : la boîte permet d'adapter régime, couple et puissance aux conditions d'utilisation. Elle est forcément un compromis...

alors qu'avec un moteur hybride c'est possible ?

euh... plus ou moins : c'est surtout qu'avec une hybride on gère plus facilement une transmission de type CVT (Continuous Variable Torque).

Cordialement,